Quá trình oxy hóa trong thép: Nguyên nhân, tác động và biện pháp kiểm soát chất lượng

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Quá trình oxy hóa trong ngành công nghiệp thép là phản ứng hóa học trong đó oxy tương tác với các thành phần kim loại của thép, dẫn đến sự hình thành các hợp chất oxit trên hoặc trong bề mặt hoặc cấu trúc vi mô của thép. Đây là một hiện tượng luyện kim cơ bản có thể xảy ra trong nhiều giai đoạn khác nhau của quá trình gia công thép, bao gồm nấu chảy, đúc, xử lý nhiệt và hoàn thiện.

Quá trình này được đặc trưng bởi sự hình thành các lớp oxit hoặc tạp chất có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của thép. Trong kiểm soát chất lượng và thử nghiệm vật liệu, quá trình oxy hóa thường được đánh giá để đánh giá độ sạch bề mặt, kiểm soát quy trình và tính toàn vẹn của lớp phủ hoặc phương pháp xử lý bảo vệ.

Trong khuôn khổ rộng hơn của đảm bảo chất lượng thép, quá trình oxy hóa là một yếu tố quan trọng vì quá trình oxy hóa quá mức hoặc không được kiểm soát có thể dẫn đến các khuyết tật như độ nhám bề mặt, đóng cặn hoặc tạp chất bên trong, làm giảm hiệu suất của thép. Quản lý đúng các quá trình oxy hóa đảm bảo sản xuất thép có các đặc tính mong muốn, ít khuyết tật bề mặt và tăng độ bền.

Bản chất vật lý và nền tảng luyện kim

Biểu hiện vật lý

Ở cấp độ vĩ mô, quá trình oxy hóa biểu hiện dưới dạng lớp hoặc vảy oxit có thể nhìn thấy trên bề mặt thép, thường xuất hiện dưới dạng màng xỉn màu, bong tróc hoặc đổi màu. Màu sắc có thể thay đổi từ xám nhạt đến nâu sẫm hoặc đen, tùy thuộc vào loại oxit và độ dày. Lớp vảy này có thể dễ dàng loại bỏ hoặc có thể bám chặt, ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện và các bước xử lý tiếp theo.

Về mặt vi mô, quá trình oxy hóa xuất hiện dưới dạng mạng lưới các hạt hoặc lớp oxit trong cấu trúc vi mô. Các oxit này thường bao gồm các oxit sắt (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄) và các oxit nguyên tố hợp kim khác, tạo thành các pha riêng biệt có thể được xác định thông qua kiểm tra kim loại học. Độ dày và tính đồng nhất của lớp oxit là các chỉ số chính về mức độ oxy hóa.

Cơ chế luyện kim

Quá trình oxy hóa xảy ra khi các phân tử oxy khuếch tán vào bề mặt thép, phản ứng với sắt và các nguyên tố hợp kim như crom, niken, mangan và các nguyên tố khác. Quá trình này được thúc đẩy về mặt nhiệt động lực học bởi ái lực cao của các nguyên tố này đối với oxy, đặc biệt là ở nhiệt độ cao.

Về mặt vi cấu trúc, quá trình oxy hóa liên quan đến sự hình thành các màng oxit hoặc tạp chất ở ranh giới hạt, bên trong ma trận hoặc trên bề mặt. Sự hình thành ban đầu của một lớp oxit mỏng có thể hoạt động như một rào cản bảo vệ; tuy nhiên, nếu quá trình oxy hóa tiếp tục hoặc lớp cặn trở nên xốp hoặc nứt, nó có thể dẫn đến bong tróc hoặc oxy hóa bên trong.

Thành phần thép ảnh hưởng đáng kể đến hành vi oxy hóa. Ví dụ, thép có hàm lượng crom cao hơn có xu hướng tạo thành các lớp oxit ổn định hơn, bám dính hơn, tăng cường khả năng chống oxy hóa. Ngược lại, thép hợp kim thấp hoặc thép có mức tạp chất cao dễ bị oxy hóa nghiêm trọng và hình thành cặn.

Hệ thống phân loại

Mức độ oxy hóa thường được phân loại dựa trên độ dày và độ bám dính của lớp oxit, cũng như tác động của cấu trúc vi mô. Các phân loại phổ biến bao gồm:

• Oxy hóa nhẹ: Lớp oxit mỏng, bám dính, ảnh hưởng tối thiểu đến chất lượng bề mặt.
• Mức độ oxy hóa vừa phải: Lớp vảy dày hơn với một số bong tróc, bề mặt có khả năng bị nhám.
• Quá trình oxy hóa nghiêm trọng: Lớp oxit dày, bong tróc hoặc xốp, bề mặt bị suy thoái đáng kể.

Trong thực hành công nghiệp, các phân loại này hướng dẫn các quyết định về xử lý bề mặt, tái chế hoặc tiêu chuẩn chấp nhận. Ví dụ, trong xử lý nhiệt, quá trình oxy hóa "nhẹ" có thể được chấp nhận, trong khi quá trình oxy hóa "nặng" thường đòi hỏi phải làm sạch hoặc tái chế.

Phương pháp phát hiện và đo lường

Kỹ thuật phát hiện chính

Kiểm tra trực quan vẫn là phương pháp đơn giản nhất để phát hiện quá trình oxy hóa ban đầu, đặc biệt là để đánh giá lớp bề mặt. Sự đổi màu, bong tróc hoặc nhám cho biết mức độ oxy hóa.

Kính hiển vi kim loại cho phép kiểm tra chi tiết các lớp oxit ở độ phóng đại cao, phát hiện các đặc điểm cấu trúc vi mô như độ dày oxit, độ bám dính và vùng oxy hóa bên trong.

Các kỹ thuật phân tích bề mặt như Kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với Phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) cho phép phân tích đặc tính bề mặt chi tiết và nguyên tố, xác nhận sự hiện diện và thành phần của oxit.

Khúc xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định các pha oxit cụ thể, cung cấp thông tin chi tiết về các sản phẩm oxy hóa hình thành trong quá trình xử lý.

Tiêu chuẩn và thủ tục thử nghiệm

Các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM A262, ISO 10286 và EN 10204 chỉ định các quy trình đánh giá các khuyết tật liên quan đến quá trình oxy hóa. Một quy trình điển hình bao gồm:

• Chuẩn bị bề mặt mẫu vật bằng cách vệ sinh để loại bỏ lớp vảy bong tróc và chất bẩn.
• Làm nóng mẫu trong điều kiện khí quyển được kiểm soát hoặc trong không khí ở nhiệt độ xác định.
• Quan sát bề mặt theo các khoảng thời gian nhất định để phát hiện sự hình thành cặn.
• Đo độ dày lớp oxit bằng kính hiển vi quang học hoặc SEM.
• Ghi lại hình dạng, độ bám dính và các đặc điểm cấu trúc vi mô của oxit.

Các thông số quan trọng bao gồm nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, thành phần khí quyển và tốc độ làm mát, tất cả đều ảnh hưởng đến mức độ và đặc điểm oxy hóa.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu phải đại diện cho lô sản xuất, với bề mặt được chuẩn bị đồng đều—làm sạch, đánh bóng hoặc khắc khi cần—để đảm bảo đánh giá chính xác. Xử lý bề mặt loại bỏ các chất gây ô nhiễm có thể ảnh hưởng đến phép đo.

Đối với phân tích cấu trúc vi mô, các mẫu vật thường được cắt thành từng phần, gắn kết, đánh bóng và khắc để lộ rõ ​​các lớp oxit và cấu trúc vi mô bên dưới.

Kích thước và hình dạng mẫu phải tuân thủ các tiêu chuẩn có liên quan để tạo điều kiện đo lường và so sánh nhất quán giữa các thử nghiệm.

Độ chính xác đo lường

Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ phân giải của kính hiển vi hoặc thiết bị phân tích. Đo lường lặp lại và hiệu chuẩn bằng các tiêu chuẩn cải thiện khả năng lặp lại và khả năng tái tạo.

Các nguồn lỗi bao gồm ô nhiễm bề mặt, lớp oxit không đồng đều hoặc sự thay đổi của người vận hành. Để giảm thiểu những điều này, các quy trình chuẩn hóa, hiệu chuẩn phù hợp và nhân viên được đào tạo là điều cần thiết.

Việc thực hiện các biện pháp kiểm soát chất lượng như so sánh liên phòng thí nghiệm và biểu đồ kiểm soát sẽ đảm bảo độ tin cậy của phép đo.

Định lượng và Phân tích dữ liệu

Đơn vị đo lường và thang đo

Độ dày lớp oxit thường được đo bằng micrômét (μm). Thang đo có thể bao gồm:

• Độ dày oxit trung bình: Giá trị trung bình thu được từ nhiều phép đo.
• Độ dày oxit tối đa: Điểm dày nhất được quan sát.
• Phạm vi bao phủ của vảy: Tỷ lệ diện tích bề mặt bị ảnh hưởng.

Về mặt toán học, độ dày trung bình $t_avg$ được tính như sau:

t_trung bình = (Σ t_i) / n

trong đó t_i là độ dày tại một điểm cụ thể và n là số phép đo.

Các hệ số chuyển đổi thường không cần thiết, nhưng khi so sánh với các đơn vị khác, 1 μm bằng 0,001 mm.

Giải thích dữ liệu

Kết quả được diễn giải dựa trên các giá trị ngưỡng được thiết lập theo tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật của ngành. Ví dụ:

• Độ dày oxit nhỏ hơn 5 μm có thể được coi là chấp nhận được cho hầu hết các ứng dụng.
• Độ dày vượt quá 20 μm có thể được phân loại là quá trình oxy hóa nghiêm trọng, cần phải có biện pháp khắc phục.

Mối tương quan giữa mức độ oxy hóa và độ nhám bề mặt, khả năng chống ăn mòn hoặc tính chất cơ học được thiết lập thông qua dữ liệu thực nghiệm. Quá trình oxy hóa quá mức thường tương quan với độ nhám bề mặt tăng, tuổi thọ mỏi giảm và khả năng chống ăn mòn bị suy yếu.

Phân tích thống kê

Phân tích nhiều phép đo liên quan đến việc tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy để đánh giá tính biến thiên. Các công cụ thống kê như biểu đồ kiểm soát giúp theo dõi tính ổn định của quy trình.

Kế hoạch lấy mẫu phải tuân theo các tiêu chuẩn như ISO 2859 hoặc ASTM E228, đảm bảo thu thập dữ liệu mang tính đại diện cho mục đích đánh giá chất lượng.

Kiểm tra ý nghĩa thống kê (ví dụ: kiểm định t) có thể xác định xem sự khác biệt quan sát được trong mức độ oxy hóa có ý nghĩa hay không, hướng dẫn điều chỉnh quy trình.

Tác động đến tính chất và hiệu suất của vật liệu

Tài sản bị ảnh hưởng	Mức độ tác động	Rủi ro thất bại	Ngưỡng quan trọng
Chống ăn mòn	Cao	Cao	Độ dày oxit >10 μm
Chất lượng hoàn thiện bề mặt	Vừa phải	Vừa phải	Có thể nhìn thấy vảy hoặc bong tróc (>5 μm)
Sức mạnh cơ học	Thấp	Thấp	Đã phát hiện vùng oxy hóa bên trong
Cuộc sống mệt mỏi	Cao	Có ý nghĩa	Sự bong tróc vảy nghiêm trọng

Quá trình oxy hóa quá mức có thể làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn bằng cách loại bỏ các lớp oxit bảo vệ hoặc tạo ra độ xốp. Độ nhám bề mặt tăng lên, dẫn đến các điểm tập trung ứng suất làm giảm tuổi thọ chịu mỏi. Quá trình oxy hóa bên trong có thể làm giòn cấu trúc vi mô, làm giảm độ bền kéo và độ dẻo.

Mức độ oxy hóa có tương quan với hiệu suất sử dụng; các lớp oxit dày hơn, bám dính kém dễ bị bong tróc và ăn mòn hoặc hỏng hóc cơ học hơn.

Nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng

Nguyên nhân liên quan đến quá trình

Tiếp xúc với nhiệt độ cao trong quá trình rèn, xử lý nhiệt hoặc hàn sẽ thúc đẩy quá trình oxy hóa. Môi trường bảo vệ không đủ hoặc niêm phong lò không đúng cách có thể làm trầm trọng thêm sự hình thành cặn.

Làm nguội hoặc làm nguội nhanh trong môi trường oxy hóa có thể giữ lại các lớp oxit bên trong cấu trúc vi mô, dẫn đến quá trình oxy hóa bên trong.

Việc vệ sinh hoặc chuẩn bị bề mặt không đầy đủ trước khi xử lý khiến các oxit hiện có vẫn tồn tại hoặc trở nên tệ hơn trong các bước tiếp theo.

Yếu tố thành phần vật liệu

Thép có hàm lượng crom thấp hoặc các nguyên tố hợp kim tạo thành oxit ổn định dễ bị oxy hóa nghiêm trọng hơn. Mức độ tạp chất cao, chẳng hạn như lưu huỳnh hoặc phốt pho, có thể thúc đẩy sự hình thành cặn và bong tróc.

Hợp kim được thiết kế để chống oxy hóa, chẳng hạn như thép không gỉ, chứa các nguyên tố như crom và niken tạo thành lớp oxit bảo vệ, làm giảm mức độ oxy hóa.

Ảnh hưởng của môi trường

Xử lý trong môi trường oxy hóa, chẳng hạn như không khí hoặc môi trường giàu oxy, làm tăng tốc quá trình oxy hóa. Môi trường ẩm ướt hoặc ô nhiễm cũng có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và bám dính oxit.

Trong quá trình sử dụng, việc tiếp xúc với môi trường ăn mòn, độ ẩm cao hoặc nhiệt độ thay đổi có thể làm trầm trọng thêm sự xuống cấp liên quan đến quá trình oxy hóa.

Các yếu tố phụ thuộc vào thời gian bao gồm tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài, khiến các lớp oxit dày hơn và gây hại hơn.

Tác động của lịch sử luyện kim

Các phương pháp xử lý nhiệt trước đây, chẳng hạn như ủ hoặc chuẩn hóa, ảnh hưởng đến khả năng bị oxy hóa của cấu trúc vi mô. Các cấu trúc vi mô hạt mịn có thể bị oxy hóa đồng đều hơn, trong khi các hạt thô có thể thúc đẩy quá trình oxy hóa cục bộ.

Tác động tích lũy của nhiều bước xử lý, chẳng hạn như các chu trình gia nhiệt lặp đi lặp lại, có thể làm tăng độ dày của lớp oxit và vùng oxy hóa bên trong.

Chiến lược phòng ngừa và giảm thiểu

Biện pháp kiểm soát quy trình

Kiểm soát bầu khí quyển lò bằng cách sử dụng khí trơ (argon, nitơ) hoặc giảm bầu khí quyển sẽ giảm thiểu lượng oxy có sẵn. Duy trì độ kín và cách nhiệt thích hợp sẽ làm giảm sự xâm nhập của oxy.

Việc thực hiện các giao thức làm mát và gia nhiệt được kiểm soát sẽ ngăn chặn quá trình oxy hóa nhanh. Việc bảo dưỡng lò thường xuyên đảm bảo thành phần khí quyển đồng nhất.

Việc theo dõi các thông số nhiệt độ và khí quyển theo thời gian thực cho phép điều chỉnh kịp thời để ngăn ngừa quá trình oxy hóa quá mức.

Phương pháp thiết kế vật liệu

Hợp kim với các nguyên tố như crom, nhôm hoặc silic giúp tăng khả năng chống oxy hóa bằng cách tạo thành lớp oxit ổn định và bám dính.

Kỹ thuật vi cấu trúc, chẳng hạn như tinh chỉnh kích thước hạt hoặc kiểm soát sự phân bố pha, có thể làm giảm khả năng bị oxy hóa.

Xử lý nhiệt như thụ động hóa hoặc lớp phủ bảo vệ có thể cải thiện độ ổn định bề mặt và ức chế sự phát triển của oxit.

Kỹ thuật khắc phục

Nếu phát hiện quá trình oxy hóa trước khi vận chuyển, các phương pháp làm sạch bề mặt như tẩy rửa, phun cát hoặc xử lý hóa học sẽ loại bỏ lớp oxit.

Việc sử dụng lớp phủ hoặc sơn bảo vệ có thể khôi phục khả năng chống ăn mòn và tính toàn vẹn của bề mặt.

Trong một số trường hợp, có thể cần phải xử lý nhiệt lại hoặc tái chế để loại bỏ vùng oxy hóa bên trong hoặc khôi phục chất lượng cấu trúc vi mô.

Hệ thống đảm bảo chất lượng

Việc thực hiện các giao thức kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, bao gồm kiểm tra, thử nghiệm và lập tài liệu thường xuyên, đảm bảo mức độ oxy hóa luôn nằm trong giới hạn cho phép.

Việc sử dụng các quy trình chuẩn hóa để chuẩn bị bề mặt, thử nghiệm và đánh giá giúp duy trì tính nhất quán giữa các lô sản phẩm.

Khả năng theo dõi các thông số quy trình và báo cáo lỗi giúp xác định nguyên nhân gốc rễ và ngăn ngừa tái diễn.

Ý nghĩa công nghiệp và các nghiên cứu điển hình

Tác động kinh tế

Các khiếm khuyết liên quan đến quá trình oxy hóa có thể dẫn đến tăng chi phí sản xuất do phải xử lý lại, hoàn thiện bề mặt hoặc loại bỏ sản phẩm. Việc loại bỏ hoặc sửa chữa cặn quá mức sẽ làm tăng thời gian và chi phí sản xuất.

Kiểm soát oxy hóa kém có thể làm giảm tuổi thọ sản phẩm, khiếu nại bảo hành và các vấn đề về trách nhiệm pháp lý, ảnh hưởng đến lợi nhuận và danh tiếng.

Trong các ứng dụng có giá trị cao như hàng không vũ trụ hoặc bình chịu áp suất, các khuyết tật oxy hóa có thể gây ra hư hỏng tốn kém hoặc nguy cơ mất an toàn.

Các ngành công nghiệp bị ảnh hưởng nhiều nhất

Các ngành sản xuất thép, xử lý nhiệt và hoàn thiện bề mặt đặc biệt nhạy cảm với các vấn đề oxy hóa. Thép kết cấu, đường ống và các bộ phận ô tô cần được kiểm soát oxy hóa nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu suất.

Ngành điện tử và kỹ thuật chính xác đòi hỏi chất lượng bề mặt cao, khiến quá trình oxy hóa trở thành mối quan tâm quan trọng.

Thép chống ăn mòn, chẳng hạn như thép không gỉ, được thiết kế để giảm thiểu quá trình oxy hóa, nhưng việc kiểm soát quy trình vẫn cần thiết để ngăn ngừa sự hình thành cặn.

Ví dụ về nghiên cứu tình huống

Một nhà máy thép thường xuyên bị đóng cặn bề mặt trong quá trình rèn ở nhiệt độ cao, dẫn đến tỷ lệ loại bỏ vượt quá 15%. Phân tích nguyên nhân gốc rễ cho thấy việc kiểm soát bầu không khí lò không đầy đủ, dẫn đến quá trình oxy hóa quá mức. Việc thực hiện thanh lọc khí trơ và cải thiện điều chỉnh nhiệt độ đã làm giảm mức độ oxy hóa và tăng năng suất.

Trong một trường hợp khác, một cơ sở xử lý nhiệt đã quan sát thấy các vùng oxy hóa bên trong gây ra hiện tượng giòn ở thép cường độ cao. Việc điều chỉnh các giao thức gia nhiệt và thành phần hợp kim đã giảm thiểu quá trình oxy hóa bên trong, khôi phục tính toàn vẹn về mặt cơ học.

Bài học kinh nghiệm

Kiểm soát quy trình nhất quán, lựa chọn vật liệu phù hợp và chuẩn bị bề mặt là rất quan trọng đối với việc quản lý quá trình oxy hóa. Những tiến bộ trong công nghệ lớp phủ bảo vệ và kiểm soát khí quyển đã cải thiện đáng kể khả năng chống oxy hóa.

Việc kiểm tra, thử nghiệm thường xuyên và tuân thủ các tiêu chuẩn giúp phát hiện sớm các vấn đề oxy hóa, ngăn ngừa việc phải sửa chữa tốn kém hoặc hỏng hóc.

Các thông lệ tốt nhất của ngành nhấn mạnh vào hệ thống quản lý chất lượng tích hợp giúp giám sát các thông số liên quan đến quá trình oxy hóa trong suốt quá trình sản xuất.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các lỗi hoặc thử nghiệm liên quan

• Cặn bám: Sự hình thành lớp oxit trên bề mặt thép trong quá trình nhiệt độ cao, thường được coi là đồng nghĩa hoặc liên quan đến quá trình oxy hóa.
• Ô nhiễm bề mặt: Sự hiện diện của các vật liệu lạ có thể ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa.
• Quá trình oxy hóa bên trong: Quá trình oxy hóa xảy ra bên trong cấu trúc vi mô, dẫn đến giòn.
• Tạp chất oxit: Các hạt oxit phi kim loại nhúng trong ma trận thép, ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học.

Các khái niệm này có mối liên hệ với nhau; ví dụ, tình trạng đóng cặn quá mức có thể dẫn đến quá trình oxy hóa bên trong nếu các vảy nứt hoặc vỡ.

Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chính

• ASTM A262: Tiêu chuẩn thực hành để phát hiện và đánh giá quá trình oxy hóa và đóng cặn trong thép.
• ISO 10286: Phương pháp thử để đánh giá sự hình thành cặn oxit.
• EN 10204: Tiêu chuẩn chứng nhận vật liệu bao gồm đánh giá quá trình oxy hóa.
• JIS G 0554: Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản về chất lượng bề mặt và quá trình oxy hóa.

Tiêu chuẩn khu vực có thể chỉ định độ dày oxit chấp nhận được, tiêu chí hoàn thiện bề mặt và quy trình thử nghiệm phù hợp với từng ngành cụ thể.

Công nghệ mới nổi

Những tiến bộ bao gồm các phương pháp thử nghiệm không phá hủy như quang phổ đánh lửa bằng laser (LIBS) và các kỹ thuật phân tích bề mặt tiên tiến để theo dõi quá trình oxy hóa theo thời gian thực.

Sự phát triển của lớp phủ bảo vệ nhiệt độ cao và những cải tiến về hợp kim tiếp tục cải thiện khả năng chống oxy hóa.

Các hướng đi trong tương lai bao gồm tự động hóa kiểm tra bề mặt, tích hợp cảm biến vào môi trường sản xuất và mô hình hóa dự đoán để dự đoán hành vi oxy hóa dựa trên các thông số quy trình.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp hiểu biết sâu sắc về quá trình oxy hóa trong ngành thép, bao gồm các khái niệm cơ bản, phương pháp phát hiện, tác động, nguyên nhân, chiến lược phòng ngừa và tính liên quan của ngành, đảm bảo tính rõ ràng và chính xác về mặt kỹ thuật cho các chuyên gia và nhà nghiên cứu.